Manual toolbox experriment process control

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HƯỚNG DẪN S Ử DỤNG TOOLBOX THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Nghiêm Xuân Trường Bộ m ô n Đ iều khiển tự đ ộn g Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Giới thiệu chung Toolbox thí nghiệm điều k hiển qu trình bao gồm khối Sim ulink (Sim u link block ) p h ụ c vụ cho thí nghiệm m ô n học Điều khiể n q u trìn h giảng dạy Bộ m ô n Điều k h iển tự động, Khoa Điện, Trư ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Toolbox xây d ự ng Nghiêm Xuân Tr ường Các k hối Simulink toolbox chia t hà nh hai loại chính: • Các k hối mô đối tượng sử dụ ng tro ng thí nghiệm Các k hối n y xây dự ng cố gắng mô p hỏng giống n h ấ t động học đối tượng thự c Bên cạ n h đó, k hố i xây dự ng p hù hợp với nội dung, yêu cầu cách thứ c tiến h n h thí nghiệm • Các k hối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụ ng q u a n sát q u trình th í nghiệm thay đổi thông số hệ thống cách trự c q u a n Việc sử dụ ng khối b ả n rấ t đơn giản, giống n h khối chu ẩn thư viện k hối S im ulink Một số ví dụ cung cấp để người sử d ụng tha m k h ảo Cài đặt toolbox 2.1 Yêu cầu hệ thống • P hần cứng hệ điều h n h − P hần cứng máy tín h đủ để chạy phần m ềm MatLab Simulink − Bộ nhớ RAM lớn tốt − • Hệ điều hành W indow s từ phiê n b ản 95 trở sa u Tốt n h ấ t sử dụ ng hệ điều h n h Wm indows P hần ềm 2000 W indow s Toolbox không dùng − XP MatLab phiên từ 6.0 trở lên, tốt n h ấ t sử dụng M a tL ab trê n hệ điều h n h khác − Sim ulink Dials & G auges B lockset phải cài đặt MatLab − Nếu sử dụ ng k mô thời gian thự c với Realtime Wo rkshop Realtim e Windows Target trình biên d ịch C /C + + p hù hợp p hải cài đặt s ẵ n tr ên máy T h a m k h ảo thêm tài liệu Realtim e Wor k s h o p Realtime Windows Target để biết t m chi tiết 2.2 Cách thức cài đặt toolbox Toolbox p hân p h ối dạng tệp tin nén ZIP tệp tin nén tự bu ng Việc cài đặt toolbox đơn giản thự c hoàn toàn tự động Để cài đặt toolbox phần m ềm M atL ab phải cài đặt trư ớc với đầy đủ yêu cầu nh nêu tr on g p h ầ n Các bước cài đặt toolbox tiến h n h n h sa u Gỡ nén tệp tin c h ính thư m ục riêng (ví dụ thư m ụ c C:\PCExpSetup) Chạy chươ ng trình M atLab, chư a ch y Nếu có cửa sổ Sim u link mở, đóng lại Tốt n h ấ t có n h ấ t cửa sổ MatLab m Trong môi trư ờng dòng lệnh MatLab, chuyển thư m ục thời đến thư m ục có a cài đặt toolbox Trong ví dụ trên, sử d ụng dòng lệnh s a u : » cd ‘C:\PCExpSetup’ Chạy chư ng trình s etu p » setup Làm theo hư ớng dẫn chư ơng trình cài đ ặ t Về b ả n, để cài đặt toolbox chế độ mặc địn h , b n cần nhấn phím ENTER nhữ ng h ỏi S a u chư ơng trình cài đặt chạy xong báo cài đặt t h n h công, b n s dụng toolbox Để bỏ thử toolbox nghiệm, có 2.3 Gỡ thể sử dụng mô h ìn h S im u lin k ví dụ thư m ục ch ính củ a toolbox ( \toolbox\hut_ac\pc e x p ) Khi không cần sử dụng toolbox nữ a, b n gỡ bỏ hoàn toàn k hỏ i hệ thống b ằng cách thự c bước sa u Nếu chư ng trình M a tL ab chư a chạy, chạy n ó Nếu cửa sổ S im u link mở (các mô hình hay cửa sổ thư viện Block set Simulink), đóng tất lại Tại dòng lệnh MatLab, thự c lện h >> pcexp -remove Làm theo hư ớng dẫn chư ơng trình q u trình gỡ bỏ kết thúc Nếu chư n g trình báo gỡ bỏ thàn h công, toolbox gỡ bỏ h oà n to àn k h ỏi hệ thống Bạn sử dụng M a tL ab cách bình th ường số trư ờng hợ p, bạn SửTrong dụng toolbox p h ải xóa bỏ tay thư m ục ch ính toolbox ( \toolb ox\hu t_ac\pcexp) P hần toolbox thư viện bao gồm k h ối Sim u link p hụ c vụ cho thí nghiệm đ iều khiển qu trình S a u toolbox cài đặt, cửa sổ thư viện k hối Simulink (Simulink L ibrary B row ser) xuất h iện m ục Process Control Experiments a k hố i Sim u lin k toolbox (Xem Hình 1) Ngoài r a dùng lệ nh sau cửa sổ lệnh MatLab để mở riêng cửa s ổ a k hối Sim ulink này: >> pcexp -open Các k hối Simulink thư viện chia t h n h hai loại chính: • Các khối mô đối tượng sử dụ ng tr ong thí nghiệm Hình Cửa sổ thư viện Simulink • Các k hối giao diện đồ họa tương tác giúp người sử dụ ng q u a n sát q u trình th í nghiệm nh thay đổi thông số hệ thống cách trự c q u a n Hiện tại, thư viện cung cấp s ẵ n bốn khối Sim u link bảng đ ây CÁC KHỐI MÔ PHỎNG ĐỐI T ƯỢNG Single-Tank Mô hệ thống b ình mức với van vào van r a Two-Tank Mô hệ thống hai b ìn h mức với van vào b ình 1, m ột hai b ình van r a từ bìn h van CÁC KHỐI GIAO DIỆN ĐỒ HỌA TƯƠNG T ÁC Tank GUI Giao d iện đồ họa tương tác cho hệ thống b ình m ứ c Two-Tank GUI Giao d iện đồ họa tương tác cho hệ thống hai b ìn h m ứ c 3.1 Các khối mô đối tượng 3.1.1 Single-Tank • Tên k hối: S ingle-Tan k • Số đ ầ u vào: h o ặ c • Số đ ầ u : • Chức năng: Mô hệ thống b ình mức với van vào van Sơ đồ hệ thống b ình mức biểu d iễn hình d ưới Hình Khối Single-Tank In Flow Level Out Valve In Valve Out Flow Hình Sơ đồ hệ thống bình m ức Trong hình vẽ trên: • In Valve Out Valve van đ iều k hiển lưu lượng vào • In Flow Out Flow lưu lượng vào • chất lỏng b ìn h (k hônglàphải thểấttích) lỏngchính tối đa làtrong Level mứclà ch lỏng Mức trongchất b ình, chiềub ình, cao hay chiều cao b ình, 0 k h ối Ở chế độ mặc định, k hối Single-Tank có hai đ ầ u vào ba đ ầ u ra, n h biểu diễn Hình Có số điểm cần ý hệ thống tr ên • Các đ ầ u vào In V alve O ut Valve độ mở van tương ứng, n h ậ n giá trị th ự c khoảng từ 0.0 đến 1.0 Giá trị 0.0 tương ứng với trư ờng hợp van đóng hoàn n , giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hoàn toàn (100% ) Các van k h ôn g đ áp ứ ng tức thời với giá trị độ mở van đặt vào mà p h ải thay đổi d ầ n d ầ n đến giá trị m ong m u ốn Ví dụ n hư độ mở van thời 0.2 (20%), đặt giá trị độ mở van (60%) độ mở van thự c tăng d ầ n từ 0.2 lên 0.6 q u trìn h p h ải tốn m ột khoảng thời gian n h ấ t địn h • Các đ ầ u In Flow Out Flow giá trị lưu lượng vào th ự c Tr on g hệ th ống này, lưu lượng tính tích độ mở van với giá trị lưu lượng tối đ a • Lưu lượng r a tối đa (cho vào tối đa p hụ thu ộc vào độ lưu lượng vào tối đa: biết chi tiết hai chế độ van ra) p h ụ thu ộc vào mức ch ất lỏng b ìn h Còn lưu lượng nguồn cung cấp c hất lỏng Đối với k h ối Sin g le-Ta n k, có hai chế chế độ tự đ ộ n g chế độ đ ặ t từ b ê n n g o i Xem p h ầ n để Các c hế độ lưu lượng vào tối đa • Chế độ tự động: chế độ này, hệ mô p hỏng tự động xác đ ịn h giá trị lưu lượng vào tối đa, trình hoạt đ ộng, giá trị thay đổi cách ngẫu n h iên nh ằm mô giống thự c tế (khi nguồn cung cấp thay đổi lưu lượng) • Chế độ đặt từ bên ngoài: chế độ này, giá trị lưu lượng vào tối đa đặt từ bên người sử d ụ ng thông qu a đ ầ u o k hố i Khi chuyển sang chế độ này, k h ối Single-Tank tự độ ng tạo t m đ ầ u vào để n h ậ n giá trị lưu lượng vào tối đa Đầu vào không đặt tên đ ầ u vào thứ ba (x e m hì nh b ê n ) Các tham số khố i Khi n hấn đ ú p c h u ộ t vào k hối Single-T an k, cửa s ổ đặt t m số cho khối lên Hình Khối S ingl e - Tank có năm t m số , bao gồm : • T h a m số Course N umber , C lass N umbe r N a m e L ist N u m ber: nh ậ p vào thông số khóa (course), lớp (class) số thứ tự d a n h sác h (n a m e list n u m b e r ) s in h viên Dựa vào thông số này, hệ thống tự động tính toán thông số cụ thể hệ th ống b ình mức cho sin h viên • T h a m số Initial Level: mức chất lỏng b a n đ ầ u bình Vì chiều cao b ình 000 n ên t m số p hải số thự c khoảng từ 0.0 đến 000.0 • T h a m số M anual Input Flow R ate: hộp n y không ch ọn chế độ lưu lượng vào tối Hình Cửa sổ th a m số khối Sin gle-Tank đa chế độ tự đ ộn g , hộp chọ n chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ đ ặ t từ b ê n n g o i Mặc địn h hộp không ch ọn 3.1.2 Two-Tank • Tên khối: Two-Tan k • Số đ ầ u vào: h o ặ c • Số đ ầ u : • Chức năng: Mô hệ thống hai b ình mức với van vào bìn h 1, van hai b ình van r a từ b ìn h Sơ đồ hệ th ống Hình Khối Two-Tank hai b ình mức biểu diễn hình dư ới Valve Flow Level Valve Valve Flow Level Flow Tank Tank Hình Hệ thống hai bình m ức Trong hình vẽ trên: • Ta n k Ta n k hai b ìn h m ứ c • Valve 1, V alve Valve van điều k hiển lưu lượng vào b ình 1, lưu lượng hai b ình lưu lượng r a từ b ìn h • Flow 1, Flow Flow lưu lượng q u a van tương ứ ng Level Level mức (chiều cao) chất lỏng bìn h b ìn h Mức c hất lỏng tối đa hai bình 1000 Các đ ầ u vào đ ầ u k hối T w o-T a n k quy đ ịn h n hư s a u : • • Các đ ầ u vào Valve 1, Valve Valve độ mở van tương ứng, n h ậ n giá tr ị thự c khoảng từ 0.0 đến Giá trị 0.0 tương ứng với trư ờng hợp van đóng hoà n toàn, giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hoàn toàn (100% ) Các van không đ p ứng tức thời với giá trị độ mở van đặt vào mà p h ả i thay đổi d ầ n d ầ n đến giá trị mong m u ố n Ví dụ độ mở van thời 0.2 (20%), đặt giá trị độ mở van m ới 0.6 (60%) độ mở van thự c tăng d ầ n từ 0.2 lên 0.6 q u trìn h p h ải tốn m ột khoảng thời gian n h ấ t địn h • Các đ ầ u F l o w 1, Flow Flow giá trị lưu lượng q u a van tương ứ ng Trong hệ thống này, lưu lượng tính tích độ mở van với giá trị lưu lượng tối đ a • Lưu lượng tối đa cho van p h ụ th u ộ c vào mức chất lỏng b ình Lưu lượng tối đ a cho van p h ụ thu ộc vào độ chênh lệch mức c hất lỏng b ình b ìn h Còn lư u lượng tối đa cho van (van vào) p hụ th u ộ c vào nguồn cung cấp chất lỏng Khối T w oTa n k có hai chế độ lưu lượng vào tối đa: chế độ tự đ ộ ng chế độ đ ặ t từ b ê n ng oà i Xem p h ầ n để biết chi tiết hai chế độ Các c hế độ lưu lượng vào tối đa • Chế độ tự động: chế độ này, hệ mô p hỏng tự động xác đ ịn h giá trị lưu lượng vào tối đa, trình hoạt đ ộng, giá trị thay đổi cách ngẫu n h iên nh ằm mô giống thự c tế (khi nguồn cung cấp th a y đổi lưu lượng) • Chế độ đặt từ bên ngoài: chế độ này, giá trị lưu lượng vào tối đ a đặt từ bên người sử dụ ng thô ng qua đ ầ u vào củ a k hố i Khi chuyển sang chế độ này, k hối Tw o -T a n k tự động tạ o thê m đ ầ u vào để n hậ n giá trị lưu lượng vào tối đa Đầu vào n y không đặt tên đ ầ u vào thứ tư (x e m hì nh b ê n ) Các tham số khố i Khi n hấn đ ú p c h u ộ t vào k hối T w o-T a n k , cửa s ổ đặt t m số cho khối lên Hình •7 Khối Tham Course N umbe C lass um ber T wsố o- Ta nk có bốn t har, m số, bao Ngồm : N a m e L ist N u m be r : nh ập vào thông số khóa (course), lớp (class) số thứ tự tr ong d a n h s ác h (n a m e list n u m be r ) s inh viên Dựa vào thông số này, hệ thống tự động tính toán thông số cụ thể h ệ thống hai b ìn h mức cho sin h viê n • T h a m số M anual Input Flow Rate: h ộp không chọn chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ tự độ ng , hộp n y chọn chế độ lưu lượng vào tối đa chế độ đ ặ t từ b ê n n g oài Mặc đ ịn h hộp n y không ch ọn Hình Cửa sổ th a m số khối Two-Tank 3.2 Các khối giao diện đồ họa tương tác 3.2.1 Tank GUI • Tên khối: T ank GUI • Số đ ầ u vào: • Số đ ầ u : Hình Khối Tank GUI Chức năng: Cung cấp giao diện đồ họa tương tác cho hệ thống m ột • ình c k hối T ank GUI tạo giao diện đồ họa n hư Hình Khi bho ạt m độứng, Đầu vào Đầu vào Level mức chất lỏng thời b ình Tr ong q u trình mô p hỏng, giá trị đ ầ u vào thể h iện tức thời hình ả n h b ìn h mức giao diện đồ họa Giá trị đ ầ u vào Level bị chặn tro ng khoảng từ 0.0 đến chiều cao b ình mức (xem p h ầ n Các t h a m s ố khố i d ưới) Các đầu Bình m ức Đầu r a SP giá trị điểm đặt, xác định giá trị tha nh trư ợ t tương ứng trê n giao diện đồ họa Khi người dù ng thay đổi giá trị đ iểm đặt giao d iện đ họa giá trị đ ầ u thay đổi theo tương ứ ng Đầu O u tV al ve giá trị độ mở van ra, s ố thự c từ 0.0 đến 1.0 tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100% Giá trị đ ầ u xác địn h theo t h a n h tr ượt tương ứng trê n giao diện đồ h ọa Các tham số khố i Đặt Se tPoi nt Độ mở van Hình Giao diện tương tác Tank GUI Khi n h ấ n đ ú p c h u ộ t vào k h ố i Ta n k GUI, cửa sổ đ ặ t t m số cho khối lên Hình 10 Khối Ta n k GUI có hai t m số , bao gồm : • T h a m số M ax i m um Height: chiều cao củ a b ình m ứ c, mức chất lỏng tối đ a bình m ứ c Giá trị đ ầ u vào Level củ a k hối bị c h ặ n trê n giá trị • T h a m số Sa mp l e Ti m e : thời gian trích m ẫ u gắn với k h ối này, chu kỳ cậ p n h ậ t k hối (bao gồm cập n h ậ t hìn h ả n h cập n h ậ t giá trị trê n t nh tr ượt) Giá trị chu kỳ tính theo giây (s) Nếu giá trị -1 k h ố i T a nk GUI s ẽ cập n h ậ t theo thay đổi đ ầ u vào nó, nghĩa chịu đ iều kh iển k h ối đ a giá trị tới đ ầ u vào Hình Cửa sổ th a m số khối Tank GUI 3.2.2 Two-Tank GUI • Tên khối: Two-Tank GUI • Số đ ầ u vào: • Số đ ầ u : • Chức năng: Cung cấp giao d iện đồ họa tương tác cho hệ th ống hai b ình m ứ c Hình 1 Khối Two-Tank GUI Khi hoạt động, khối T w o-T a n k GUI tạo giao d iện đồ họa Hình 12 Van Đặt SetPoint Bình m ức Bình m ức Van Đặt SetPoint Van Hình Giao diện tương tác Two-Tank GUI Các đầu vào Đầu vào Le vel Level tương ứng mức c hất lỏng thời bình b ình Tr ong q u trình mô p hỏng, giá trị đ ầ u vào thể tức thời hìn h ả n h b ình mức tương ứng giao diện đồ h ọa Các giá trị bị chặn khoảng từ 0.0 đến chiều cao bình mức tương ứng (xem p h ầ n Các th a m số củ a k h ố i d ưới) Đầu vào Valve vector tương ứng với giá trị độ mở van trư ờng hợp có n h ấ t van điều k hiển từ bên k hối thay từ t hanh trư ợ t giao diện đồ h ọa Số p hầ n tử vector phải đ úng số van điều k hiển từ bên k hối, theo thứ tự từ van đến van Xem th ê m p h ầ n Các đ ầ u ra, p hầ n Các th a m số c ủ a k h ố i ví d ụ sử dụng k h ối Các đầu Các đ ầ u SP SP tương ứng giá trị đ iểm đặt cho b ìn h b ìn h 2, xác định giá trị t hanh trư ợ t tương ứng trê n giao diện đồ họ a Khi người dùng thay đổ i giá trị điểm đặt giao diện đồ họa giá trị đ ầ u thay đổi th eo tương ứ ng Các đ ầ u Val v e 1, Valve Valve tương ứng giá trị độ mở van 1, van van 3, số thự c từ 0.0 đến 1.0 tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100% Các giá trị đầ u n y xác định n hư s a u : • Nếu van không đ iều kh iển từ bên khối, hay nói cách k hác van đ iều k h iển người sử dụ ng thông qua giao d iện đồ họa tương tác, giá trị đ ầ u xác địn h theo trư ợ t tương ứng trê n giao diện đồ h ọa • Nếu van đ iều k hiển từ bên khối giá trị đ ầ u c h ín h giá trị tương ứ ng vector đầu vào Valve (xem p hầ n Các đ ầ u v ào) Xem t m p hần Các đ ầ u v , p h ần Các tha m số c khố i ví dụ sử dụng k h ối Các tham số khố i Khi n h ấ n đ ú p c h u ộ t vào k hối T w o-T a n k GUI, cửa sổ đặt tha m số cho khối lên n h Hình 13 Khối Tw o - T a nk GUI có b ốn t m số , bao gồm : • T h a m số M a x i mu m Height of T a n k 1: chiều cao bìn h 1, mức c hất lỏng tối đa bình Giá trị đ ầ u vào Level củ a k hối bị c h ặ n trê n giá trị • T h a m số M a x i mu m Height of T a n k 2: chiều cao bình 2, mức c hất lỏng tối đa bình Giá trị đ ầ u vào Level củ a k hối bị c h ặ n trê n giá trị • T h a m số Valve M as k: vector gồm b a p hầ n tử Nếu p h ầ n tử thứ k vector n y có giá trị k hác valve thứ k đ iều k h iển người sử dụng thông qu a th a n h trư ợ t tương ứng giao diện đồ họa Ngược lại, p h ầ n tử thứ k vector có giá Hình Cửa sổ t m số khối Two-Tank GUI trị k há c valve thứ k điều kh iển từ bên k hố i thông qua giá trị tương ứ ng vector đầu vào Valve (xem ví dụ sử d ụng k hố i bên d ưới) T h a m số S am pl e Ti m e : thời gian trích m ẫ u gắn với k hối này, chu kỳ cậ p n h ậ t k hối (bao gồm cập n hậ t h ìn h ả nh cập n h ậ t giá trị t h a n h tr ượt) Giá trị chu kỳ tính theo giây (s) Nếu giá trị -1 k h ối Two- T a nk GUI s ẽ cập n h ậ t theo thay đổi đ ầ u vào nó, nghĩa chịu đ iều k hiển củ a kh ối Ví dụ đ asử giádụ trịng tới khố iđ ầ u vào • Xét số ví dụ đơn giản sử dụ ng k hối để hiểu rõ cách thứ c hoạt động •k h ối Hệ thống hai bình m ứ c, van người s dụng thay đổi, van van hệ thống đ iều k h iển thay đổi (thay đổi từ bên k hối) Hìn h ả n h mô hình trê n Sim u link nh h ình b ê n Trong trư ờng hợp này, tham số Valv e M as k k h ối đặt vector [0 0] (p hần tử b ằ n g tương ứng với van thay đổi từ b ên ngoài, phần tử van người dùng 10 thay đổi) Ở đ ầ u vào Valve k hối tín hiệu xác đ ịn h độ mở van van (k hông có van van người dù ng thay đổi) Như vậy, tín hiệu vào Valve vector gồm hai p h ầ n tử, p hầ n tử thứ n h ấ t độ mở van 1, p h ầ n tử thứ h a i độ mở van Có thể dùng khối Mux để kết hợp tín hiệu sơ đồ trê n Các đ ầ u r a k hối tương ứng giá trị đặt độ mở van, đó: đầu Valve1 Valve3 tương ứng độ mở van van 3, ch ính giá trị đ a vào q u a đ ầ u vào V a lve ; đầ u Val v e độ mở van 2, người dùng đặt thông qu a giao diện • Cũng hệ thống trên, m u ốn thay đổi cho van van thay đổi từ bên ngoài, van người dùng thay đổi ta việc đặt lại tha m số Val ve M a sk k h ối t hà nh [0 ], đường tín hiệu thứ hai vào k hối Mux độ mở van thay độ m van 11